链下扩容深度解析

1. 扩容的必要性

区块链的未来愿景是去中心化、安全性和可扩展性,但通常只能实现其中两个,这被称为区块链的不可能三角问题。多年来,人们一直在探索如何在保证去中心化和安全性的前提下,提高区块链的吞吐量和交易速度,即解决扩容问题,这是当前区块链发展中的热点话题之一。

区块链的去中心化、安全性和可扩展性可以定义为:

• 去中心化:任何人都可以成为节点参与区块链系统,节点数量越多,去中心化程度越高,确保网络不受少数中心化参与者控制。

• 安全性:获取区块链系统控制权的成本越高,安全性越高,链就能抵抗较大比例参与者的攻击。

• 可扩展性:区块链处理大量交易的能力。

比特币网络的第一次重大硬分叉源于扩容问题。随着用户数量和交易量增多,1MB区块上限的比特币网络开始面临拥堵。2015年起,比特币社区就扩容问题存在分歧,一方支持扩大区块,另一方主张使用隔离见证优化主链结构。2017年8月1日,支持扩容的一方自行开发8MB区块链,导致比特币首次重大硬分叉,诞生了新币种BCH。

以太坊网络也选择牺牲部分可扩展性来保障安全性和去中心化,通过燃料费上限来限定交易量。从2017年的CryptoKitties到DeFi、GameFi和NFT的兴起,市场对吞吐量需求不断增加,但以太坊每秒仅能处理15-45笔交易,导致交易成本上升、结算时间变长,大部分DApp难以承受运行成本,整个网络变得又慢又贵,亟需解决扩容问题。理想的扩容方案是在不牺牲去中心化和安全性的前提下,尽可能提高交易速度和吞吐量。

2. 扩容方案的类别

我们可以按照"是否改变一层主网"将扩容方案分为链上扩容和链下扩容两大类。

2.1 链上扩容

核心概念:通过改变一层主网协议达到扩容效果的解决方案,目前的主要方案是分片。

链上扩容有多种方案,此处简要列举两种:

• 方案一是扩大区块空间,增加每个区块打包的交易数量,但这会提高对高性能节点设备的要求,降低"去中心化"程度。

• 方案二是分片,将区块链账本分成若干部分,由不同分片负责不同记账,并行计算可同时处理多个交易。这可以降低节点计算压力和加入门槛,提高交易处理速度和去中心化程度,但意味着全网算力被分散,会降低整个网络的"安全性"。

改变一层主网协议可能产生难以预料的负面影响,底层任何细微的安全漏洞都会严重威胁整个网络安全,网络可能被迫分叉或中断修复升级。

2.2 链下扩容

核心概念:不改变现有一层主网协议的扩容解决方案。

链下扩容方案可细分为Layer2和其他方案:

Layer2:

• State Channels
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

其他:

• Sidechains
• Validium

3. 链下扩容的方案

3.1 State Channels

3.1.1 概要

状态通道规定只有在通道打开、关闭或解决纠纷时,用户才需要与主网交互,将用户间交互放在链下进行,以降低交易时间和成本,实现不受限制的交易次数。

状态通道是简单的P2P协议,适合"基于回合的应用程序",如两人国际象棋。每个通道由主网上的多签智能合约管理,控制通道资产,验证状态更新,并仲裁争议(根据带签名和时间戳的欺诈证明)。参与者部署合约后,存入资金并锁定,双方签名确认后通道正式开通。通道允许不限次数的链下免费交易(只要净值不超过存入总额)。参与者轮流发送状态更新并等待对方签名确认。正常情况下,状态更新不上传主网,只在争议或关闭通道时依赖主网确认。关闭通道时,任一方可在主网提出请求,如获全员签名批准则立即执行,否则需等待"挑战期"结束。

状态通道可大大减少主网计算量,提升交易速度,降低交易成本。

3.1.2 时间线

• 2015/02:Joseph Poon和Thaddeus Dryja发布闪电网络白皮书草案。

• 2015/11:Jeff Coleman首次系统总结State Channel概念,提出比特币Payment Channel是State Channel的子案例。

• 2016/01:Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式发表比特币闪电网络白皮书,提出Payment Channel扩容方案。

• 2017/11:首个基于Payment Channel的State Channel设计规范Sprites提出。

• 2018/06:Counterfactual提出详细的Generalized State Channels设计,首个完全相关的设计。

• 2018/10:提出State Channel Networks和Virtual Channels概念。

• 2019/02:状态通道扩展到N-Party Channels,Nitro是首个基于该想法的协议。

• 2019/10:Pisa拓展Watchtowers概念,解决参与者需持续在线问题。

• 2020/03:Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技术原理

传统链上工作流程:用户通过向链上发送交易来改变智能合约状态,但会带来时间和成本问题。

状态通道工作流程:

1. 用户从EOA存入资金到链上合约,锁定直到通道关闭。
2. 用户可在链下进行不限次数交易,通过加密签名消息通信。
3. 关闭通道时,向合约提交最终状态,如对方签名批准则立即执行,否则等待挑战期。

悲观情况下,如一方不响应,另一方可向合约提交最后有效状态发起挑战,合约允许对方在一段时间内响应。如无响应,合约自动关闭通道并返还资金。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时确认,快速交易
• 低费用
• 隐私性
• 高吞吐量

缺点:

• 需要持续在线监控
• 需要锁定资金
• 不适合低频交易
• 通道容量有限
• 不支持通用智能合约

3.1.5 应用

比特币闪电网络:

• 是比特币网络的小额支付通道
• 通过链下小额支付通道和中间人构成交易网络,解决扩容问题
• 遵循"存款→闪电网络交易→退款/结算"流程
• 理论上每秒可处理百万笔交易
• 2021年底TVL约4000万美元,约10万用户
• 2022年11月共76,236个支付通道,5049 BTC资金($81.8M)

以太坊雷电网络:

• 基于以太坊的小额支付通道,类似闪电网络
• 目的是实现近乎即时、低费用和可扩展的ERC20代币支付
• 2017年成立,2017年10月ICO筹集3000万美元
• 2020年5月第一个Light Client上线
• 目前未获广泛采用,原因包括使用门槛高、更先进扩容技术出现等
• 团队正改造使其运行在以太坊Layer2 Rollup网络上

Celer Network:

• 本质是增加激励层的闪电网络
• 通过链外扩展技术和激励性经济模型构建快速、易用、低成本、安全的高频交互DApps
• 适用于电子竞技平台等高频交互应用
• 使用OAT(Off-chain Address Translator)将链下地址唯一映射到链上智能合约
• 由cChannel、cRoute和cOS三层组成
• 2018年创立,2019年3月代币$CELR发行
• 目前已推出DeFi协议Layer2.finance、信息跨链协议Celer IM和资产跨链桥cBridge

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络:

• 用于BTC支付
• 双向支付通道
• 交易量较大
• 生态发展较好

以太坊雷电网络:

• 用于ETH和ERC20支付
• 双向支付通道
• 交易量较小
• 生态发展缓慢

Celer Network:

• 支持多种资产
• 广义状态通道
• 交易量中等
• 生态向跨链方向发展

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链概念首次于2012年比特币开发人员聊天室中提出,2014年首篇相关文章发表。侧链是为加快比特币交易而出现的区块链形态,可使用更复杂合约或改善共识机制。侧链交易结果最终传送回主链时,会记录在验证者端。这种模式是附着于主链并协助解决问题的基础建设。

3.2.2 时间线

• 2012/01:比特币侧链概念在聊天室提出
• 2014/10:比特币侧链论文发表:Symmetric Pegged和Asymmetric Pegged
• 2017/04:POA Network基于以太坊PoA共识的侧链测试网上线
• 2017/10:Matic Network启动
• 2017/12:POA Network主网上线
• 2018/01:Skales测试网上线
• 2018/10:xDai Chain测试网上线
• 2020/06:Skale主网上线
• 2020/06:以太坊侧链Matic PoS Chain主网上线
• 2021/02:Matic Network更名为Polygon Network
• 2021/02:Axie Infinity游戏侧链Ronin主网运行
• 2021/12:xDai Chain与Gnosis Dao合并成Gnosis Chain
• 2022/03:POA Network合并入Gnosis Chain

3.2.3 技术原理

侧链使用双向锚定(Symmetric Pegged)和不协调锚定(Asymmetric Pegged)两种方式与主链通信。

Symmetric Pegged:

• 主侧链验证者实时记录对方当前状态(区块头信息)
• 使用双向SPV技术传递信息
• 主链Token发送到侧链时产生SPV-Locked Output
• 侧链验证者用SPV证明解锁
• 等待confirmation period和contest period后可在侧链使用新铸资产

Asymmetric Pegged:

• 侧链验证者实时监控主链活动
• 主链向侧链转账时侧链主动记录(forward transaction)
• 侧链向主链转账时引入Certifiers机制
• Certifiers记录合约ID、验证者ID、转移名单等信息
• Certifiers通过质押和签名确保安全性

目前多数侧链使用PoA机制或Relayers中间层来确认主链区块状态。

侧链机制总结:

• 主链→侧链:主链锁定资产,侧链生成wrapped asset
• 侧链→主链:侧链销毁wrapped asset,主链解锁资产

侧链资产安全性取决于侧链安全性,即侧链共识机制。

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